水稻收割機液壓系統升級改造

何賢劍

(浙江海宏液壓科技股份有限公司，浙江 臨海 317000)

0 引言

農業機械化是農業現代化的重要標志，作物收獲機械化是農業機械化的重要環節。水稻作為我國最主要的糧食作物之一，種植面積約占糧食種植面積的1/3，產量接近糧食總產量的1/2。優質、高效的水稻機械化收割對提高農業機械化水平、加快農業現代化進程及確保我國糧食安全有著極其重要的意義。

21世紀以來，隨著國家加大對農業機械的補貼力度，國內農業機械發展開始突飛猛進，水稻收割機也從單純的仿制到能獨立自主的開發，實現了質的飛躍；同時，含雜率和破損率等數據大幅度降低，有效保障了糧食的產量。但無論是橫軸流發展到縱軸流亦或是復合脫粒型式的結構，還是半喂入到全喂入型式的發展，均是機械結構的改變，國內水稻收割機液壓系統發展依舊停滯不前，對收割效率、操作舒適性和整體可靠性方面產生很大的影響。因此，有必要對國內的水稻收割機液壓系統進行升級改造，使其符合時代發展的需要[1-2]。

本文針對某款傳統水稻收割機液壓系統原理進行分析，提出存在的關鍵性問題，進行針對性的升級改造，并在臺架試驗臺上進行試驗驗證。結果表明：改造后的系統具有效率高、操控性好、可靠性高和故障率低等優點[3-6]。

1 傳統水稻收割機液壓控制系統

某款傳統水稻收割機液壓系統原理如圖1所示。原理如下：各執行機構不動作時，從齒輪泵1出來的工作油液經3、8、13和16再回油箱卸荷。當操縱任意閥桿(3、8、13和16)動作時，執行機構5、10、11、17、18會執行相應的動作來滿足系統的要求。圖1中：2為系統主溢流閥，起安全保護作用；7為卸糧5和撥禾輪10油缸的溢流閥，對這兩個執行機構進行安全保護；14為割臺油缸11的溢流閥，對割臺油缸進行安全保護；15為轉向制動閥17和18的溢流閥，對轉向機構進行保護；4、9、12為液壓鎖，當執行機構不動作時，控制執行機構沉降量。

1.齒輪泵 2、7、14、15.安全閥 3.卸糧控制閥 4、9、12.液壓鎖 5.高位卸糧油缸 6.油箱 8.撥禾輪控制閥 10.撥禾輪油缸 11.割臺油缸 13.割臺控制閥 16.轉向控制閥 17、18.左右轉向制動閥圖1 某款傳統水稻收割機液壓系統原理圖Fig.1 A traditional rice harvester hydraulic system principle diagram

傳統水稻收割機液壓系統主要存在以下幾個問題：

1)轉向與其他動作(如割臺、撥禾輪、卸糧)無法有效聯合操作，影響效率；

2)撥禾輪轉速固定，當收割不同作物時(小麥、水稻、油菜等)，喂入量不易控制，影響收割效果；

3)高位炮筒旋轉采用直流電機控制，電機防水防塵能力有限，故障率居高不下。

2 系統升級改造

針對傳統水稻收割機系統中存在的幾個問題，對其進行升級改造，改造后液壓系統如圖2 所示[7]。

1.油箱 2.雙聯齒輪泵 3、5、7、27.安全閥 4.分流閥 6、9、13.固定節流孔 8、11、14.三位四通M型電磁換向閥 10、12、22.液壓鎖 15.撥禾輪油缸 16.高位卸糧油缸 17.高位炮筒旋轉馬達 18.轉向控制閥 19、20.轉向制動閥 21.割臺油缸 23.割臺控制閥 24.可變節流孔 25.撥禾輪旋轉馬達 26.定差溢流閥圖2 改造后液壓系統原理圖Fig.2 The Principle diagram of hydraulic system after transformation

新系統由4個閥組成：A電控閥組、B機械閥組、C調速閥和D轉向制動閥。從圖2中可看出：新系統采用電控+機械控制方案，可以實現傳統收割機液壓系統所有的功能。同時，為不影響操作習慣，割臺及轉向動作采用機械操作方案(與傳統收割機操作習慣一致)，撥禾輪、卸糧、炮筒選擇采用電控方案，電控開關可以放置在割臺轉向一桿操作桿上，可以實現單手控制各個部位工作，效率大大提升。同時，通過從齒輪泵工作口，設置分流機構，恒定分流小部分油液去控制高位炮筒旋轉和轉向(高位炮筒和轉向流量要求不高，可以設置相同，減少管路布置)；不工作時，這部分流量低壓卸荷，安全節能，分流口設置有安全閥，對恒定流量支路進行安全保護。齒輪泵多余的流量分別去割臺、撥禾輪和卸糧等執行機構。因此，無論何時，在操作轉向動作時，可以同時操縱割臺及撥禾輪、卸糧等機構，而不用擔心動作連續性的問題，大大提高工作效率。

電磁閥均采用M型三位四通電磁閥，同時根據需要設置有液壓鎖或者不設，撥禾輪和卸糧油缸的液壓鎖裝置專門有設置節流小孔，防止中位時動作互為干涉。

改造后液壓系統原理介紹如下：

1)a支路(圖2中a箭頭)：從齒輪泵出來的工作油液經過分流閥芯分a和b兩路分別去工作。其中，a路為穩定流量，中位時，這路工作油液經固定節流孔6、三位四通M型電磁換向閥14到轉向控制閥18，再回油箱卸荷。當電磁閥14得電時，炮筒馬達可以左右旋轉，且轉速恒定。當轉向控制閥18動作時，可以控制收割機行駛方向。4和6組成穩流機構，控制固定節流孔6前后的壓差保持一致，使得去a支路的流量恒定。安全閥5對a支路進行進行安全保護作用，控制炮筒馬達17的工作壓力和轉向工作壓力。

2)b支路(圖2中b箭頭)：b支路流量隨發動機轉速的變化而變化，中位時，油液經分流閥芯4、割臺控制閥23、三位四通M型電磁換向閥8和11，再回油箱卸荷。操作割臺換向閥23，控制割臺油缸21上升下降，電磁閥8或11得電，分別控制撥禾輪油缸15和高位卸糧油缸16動作。固定節流孔9和13功能：使液壓鎖10和12快速回位，防止閥桿回中位后，油缸繼續動作。安全閥3、5、7和27分別對各油路進行安全保護。

3)撥禾輪馬達25支路：從齒輪泵出來的工作油液經過旁通型調速閥C，通過調節可變節流口24的面積梯度，實現不同的流量輸出，以控制撥禾輪馬達25的轉速。24和26構成定差溢流型調速閥，也稱三通型調速閥或旁通型調速閥。調速閥的使用，使得撥禾輪馬達轉速控制不隨負載變化而變化，保持恒定轉速。當收割不同作物時，只需調節可變節流口24的面積梯度，免去傳統收割機更換不同直徑導向輪的安裝工作，提高效率。

3 分流結構和調速結構原理分析

3.1 分流結構

圖3為分流閥結構圖[8]，對應圖2原理圖序號4和6。從齒輪泵出來的工作油液經過分流閥芯6分a和b支路去工作。其中，a支路流量恒定，與a支路負載無關；b支路流量隨發動機轉速升高而變大。

1、8.螺堵 2、7.組合墊片 3.彈簧 4.閥體 5.固定節流孔 6.分流閥芯圖3 分流閥結構圖Fig.3 Shunt valve structure

a支路流量恒定原理(見圖3)：固定節流孔5前后的壓差由彈簧3來控制，由于彈簧的預壓縮量遠大于變化量，可近似認為彈簧力不變。

根據流量公式，有

(1)

Δp=k(x+Δx)/A1

(2)

其中，Q為通過固定節流孔5的流量；Cd為流量系數；A為固定節流孔5的面積；Δp為固定節流孔5的前后壓差；ρ為油液密度；x為彈簧3的預壓縮量；Δx為分流時彈簧位移變形量；A1為分流閥芯6的端面面積；k為彈簧3的剛度。

式(2)中，由于x?Δx，故認為

Δp≈k·x/A1

(3)

由于式(3)中，k、x、A1均為恒定值，故認為壓差Δp為恒定值。把式(3)代入式(1)，可得出流量Q恒定，即通過固定節流孔5的流量恒定(去a支路流量恒定)。

通過以上理論分析，分流閥芯結構的設計，可以滿足系統轉向與割臺、撥禾輪及卸糧油缸的聯合動作，顯著提升效率。

3.2 調速閥結構

圖4為調速閥結構圖[9]。從齒輪泵出來的工作油液經圖4中P口進入調速閥，通過調節手柄行程，帶動可變節流閥芯上下移動，使節流面積發生變化，再進入到A口(馬達入口)，多余的油液從定差溢流閥芯溢流回T口(油箱)，可變節流口壓差(即P口和A口的壓力差)由定差彈簧設定。由于彈簧的預壓縮量遠大于變化量，可近似認為彈簧力不變。原理同a支路流量恒定原理，公式見式(1)～式(3)。當撥禾輪馬達負載較大，超過安全閥設定的壓力時，安全閥打開，工作油液卸壓，對馬達進行保護，防止超載。

1.安全閥組件 2.定差溢流閥芯 3.行程調節手柄 4.可變節流閥芯 5.定差彈簧圖4 調速閥結構圖Fig.4 Speed control valve Structure

4 臺架試驗

4.1 分流閥試驗

試驗條件：進油口流量30L/min，試驗主壓力200bar，通過調節工作口不同負載壓力，驗證分流流量穩定性。

炮筒馬達和轉向流量實際需求3～3.5L/min左右。本次試驗通過對工作口加載不同的壓力，來分析分流閥芯穩定分流功能。分流閥閥芯流量穩定性曲線如圖5所示。

圖5中：p1為進油口工作壓力曲線，p2為工作口壓力曲線，Δp為壓差曲線(Δp=p1-p2)，Q為分流口流量。

由圖5中可看出：隨著工作口p2壓力的增加(0～150bar)，進油口p1壓力也跟著增加，但壓力差Δp始終穩定在7～7.5bar之間，工作口流量Q穩定在3～3.2L/min之間。因此可看出，不同的工作壓力，對分流閥芯分流流量影響是很小的，這部分穩定分流流量去控制炮筒馬達和轉向，使其撥禾輪和炮筒工作不受外在負載的變化而變化。

因此，分流閥芯結構的設計，可以滿足系統轉向與割臺、撥禾輪及卸糧油缸的聯合動作，顯著提升效率；同時，可以滿足炮筒馬達旋轉的恒定轉速的要求。

圖5 分流閥芯流量穩定性曲線Fig.5 The flow stability curve of shunt valve

4.2 調速閥試驗

撥禾輪采用調速閥控制馬達的方案，可以滿足不同作物對撥禾輪轉速的不同需求。

試驗條件：進油口流量30L/min，試驗主壓力200bar，通過調節工作口不同負載壓力，驗證調速流量的穩定性。通過調節行程手柄可獲得0～30L/min區間的流量。這里取兩個流量點進行測試研究(分別為5L/min和20L/min)，分別代表撥禾輪低轉速和高轉速兩種工作狀態。

調速閥流量穩定性曲線如圖6和圖7所示。其中，p1為進油口工作壓力曲線；p2為工作口壓力曲線；Δp為壓差曲線(Δp=p1-p2)；Q為調速口流量。

圖6為調速閥小流量(5L/min)狀態穩定性曲線。由圖6中可看出：隨著工作口p2壓力的增加(0～100bar)，進油口p1壓力也跟著增加，但壓力差Δp始終穩定在5.3～5.6bar之間，工作口流量Q穩定在5～5.3L/min之間。因此可看出，小流量工作狀態下，調速閥輸出的流量是很穩定，不受負載狀態的影響而改變流量。

圖7為調速閥大流量(20L/min)狀態穩定性曲線。由圖7中可看出：隨著工作口p2壓力的增加(0～100bar)，進油口p1壓力也跟著增加，但壓力差Δp始終穩定在7.5～7.9bar之間，工作口流量Q穩定在20～20.6L/min之間。因此，可看出大流量工作狀態下，調速閥輸出的流量是很穩定，不受負載狀態的影響而改變流量。

從圖6和圖7曲線可看出，大流量的壓力差Δp大于小流量狀態的壓力差。其原因主要是受閥口通徑的影響，使得大流量狀態下的沿程壓力損失和定差彈簧(見圖4)壓縮量大于小流量狀態下的值。

因此可得出結論：撥禾輪馬達采用三通調速閥方案控制，馬達轉速穩定，不易受負載波動影響，使得作物喂入量穩定。同時，通過調整手柄行程，可以控制馬達轉速，適合收割不同轉速要求的農作物，方便且效率高。

圖6 調速閥小流量(5L/min)狀態穩定性曲線Fig.6 Small flow (5l/min) state stability curve of speed valve

圖7 調速閥大流量(20L/min)狀態穩定性曲線Fig.7 Big flow (20l/min) state stability curve of speed valve

5 結論

1)新系統采用分流閥芯結構，可以滿足系統轉向與割臺、撥禾輪及卸糧油缸的聯合動作，顯著提升效率；

2)新系統撥禾輪馬達采用調速閥方案控制，通過調整手柄行程，可以控制馬達轉速且轉速穩定，適合收割不同轉速要求的農作物，方便且效率高。

3)傳統收割機炮筒旋轉采用直流電機控制方式，電機防水防塵能力有限，故障率居高不下。新系統采用液壓馬達控制炮筒旋轉，功率密度比直流電機大，安全性能突出，故障率低。

目前，該系統已在中聯重機某款收割機上批量應用。謹希望本文能為同行設計類似收割機液壓系統提供理論和實踐幫助。